管式加热炉辐射室对流传热计算的研究

1、管式加热炉辐射室对流传热计算的研究张津 1郭晓艳 2董君 11.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都 6100172.中国石油大学（华东），山东青岛 266555摘要：对圆筒式管式加热炉辐射室内的对流传热部分进行了数值模拟。 采用了一种射流模型，把辐射 室按烟气流动的不同情况分为质量不变区、射流区和回流区，用不同的边界条件限定，分别对这三 个区进行了数学描述，用 VB 语言编程实现了计算过程。 选用一个常压炉作为实例，对辐射室的炉 管外壁温度进行了模拟计算，计算过程中，辐射传热部分采用了蒙特-卡罗方法。 综合考虑了辐射传 热和对流传热计算得到的炉管外壁温度分布，与仅考虑辐射传热

2、所得的炉管外壁温度进行了比较， 前者与理论推断更加吻合。关键词：加热炉；辐射室；对流传热；射流模型文献标识码：A文章编号：1006-5539（2011）05-0077-04前言管式加热炉是一种大能耗的设备，在炼油厂和石 油化工厂具有非常重要的地位。 随着炼油厂和化工厂 的大型化，开发了大处理量的管式炉，因而也不断发 展了管式炉的计算方法。 特别是计算机和计算技术的 迅速发展，以及辐射传热、湍流传热、流体流动、相平 衡和化学反应动力学等学科的进步与数值计算方面 的结合13，使得对加热炉的复杂计算变为可能。在石化生产中， 人们期望装置能长期安全运转。 但若设计和操作不当而使炉温局部过高，就会发生结

3、 焦、炉管烧穿、炉衬烧塌等事故。 局部温度过低，则管 内流体达不到工艺要术，因此管式炉炉膛的传热计算 是一个关键问题。在管式加热炉炉膛内的传热， 以辐射传热为主，在以往的研究中对辐射传热的计算关注较多4，比如区域法、蒙特-卡罗法5、热通量法等，而对对流传热考 虑的较少。 但实际上以对流传热所传递的热量也应是 加热炉计算的重要部分。因此本研究主要是开发了一种射流模型对对流 传热进行模拟计算，结合辐射传热的计算，得到了炉 膛内的温度分布和管壁热强度分布。0管外对流传热计算的模型开发11.1物理模型在炉膛内主要存在两股气流，从火嘴喷出的射流 和返向火嘴的回流。 由于射流温度较高，决定着辐射 放热；回

4、流温度较低，起着与管壁对流传热的作用。根据文献介绍6，当空间与喷嘴截面相比很大时，收稿日期：2010-09-15基金项目：中国石油天然气集团公司“让纳若尔油田第三油气处理厂工程”资助项目（S2010-36C）图 2 气体分区图它接近自由射流。 可以认为限制射流只是一个质量不变核心，把射流量的增加和减少看作只是与循环气流 的合并与分离，这核心与器壁之间是循环区。 质量不 变核心可被视为稳定流动，循环烟气分子的流线是无 数闭合曲线。 根据质量守恒原理，单位时间通过任意 截面的回流量与被引射的烟气量完全相等。在对炉膛空间进行分区时， 据烟气流动情况，在 径向上将烟气分为三个区：质量不变核心区、射流区

5、 和回流区，见图 1。wgi =Gi Fhi（4）式中w i截面上的引射流（回流）的平均质量流gi速，kg/m2·s；G i截面上的引射量或回流量，kg/s；iF i截面上的引射流或回流的面积，m2。hi1.3研究方法为了和辐射传热计算很好地结合在一起，把整个 炉膛体积分成若干个小的气体块，以圆筒炉底面的中 心为坐标原点建立柱坐标系（r，z），沿炉体的周向按 增量 z 将气体及侧壁面分为等高度的 nz 份， 沿径向 按增量 R 将气体区及炉膛底面等分为 nr 份，并以相同角度 沿周向将气体区及侧壁面、份，见图 2。底面等分为 n1.2数学描述1.2.1炉膛内区域间的边界线方程区域的面

6、积随高度的不同而发生变化，质量不变 核心区和射流区的边界由式（1）求得：rzi =L·i tanR+roe式中 R炉膛半径，m；rzi质量不变核心区的半径，m；（1）Li限制射流质量不变核心到达 i 截面的行程，m；roe当量喷口半径，m。射流区和回流区的边界可由式（2）求得：计算实例选用 Visual Basic 编程语言，2编写了对流传热计算的程序并结合以前完成的辐射传热计算，选用了一个实际加热炉的有关数据做了模拟计算。表 14 是炉膛中温度分布的部分数据，这里对辐 射传热计算值和辐射对流联合计算值进行了对比，所 举例的四组数据分别取自第 3、10、18、32 四根炉管。对表 1

7、4 的数据进行分析可看出：a）表 14 中对应的一定高度和半径处的温度数值 大小基本一致， 这是由圆筒加热炉的对称结构和我们 的模型决定的，同时这种一致性也从另一方面证明了 程序计算的合理性；b）温度明显沿径向递减，符合模型推断的温度变 化趋势；而纵向上的温度则是两端较低，中间较高，这rhi =（R2+r2 ） 20.5（2）zi式中 rhi射流与回流的边界半径，m；R炉膛半径，m。1.2.2烟气流速的计算对流传热的计算，关键在于求解各区域的流速。因为质量不变核心区的烟气流是稳定流动的，所 以根据各截面的面积，便可求得通过不同截面的烟气 质量流速：wzi =Gg （·r2 ）（3）z

8、i式中 wzii 截面的烟气质量流速，kg/m2·sGg从喷嘴喷入炉膛的烟气总量，kg/s。表1第3根炉管的温度分布K表2第10根炉管的温度分布K表3第18根炉管的温度分布K序号项目123451辐射计算值1 175.781 072.44704.32681.82771.05对流计算值734.25734.25734.25734.25734.252辐射计算值1 611.281 598.03940.68811.27809.01对流计算值1 493.721 487.08770.29765.99734.063辐射计算值1 625.071 590.43912.03809.11771.57对流计算值

9、1 593.511 590.66800.83790.41713.434辐射计算值1 584.901 611.76857.57836.84739.93对流计算值1 602.971 608.41830.38809.37709.405辐射计算值1 624.771 607.61770.32728.58759.05对流计算值1 613.421 592.82816.48801.00701.396辐射计算值774.14828.85806.30652.89733.59对流计算值1 204.861 193.03805.73775.86697.54序号项目123451辐射计算值1 240.08984.93754.

10、30841.64762.77对流计算值734.25734.25734.25734.25734.252辐射计算值1 614.511 602.52866.64851.30721.57对流计算值1 483.201 486.64770.26770.05717.723辐射计算值1 589.231 605.80775.12768.62706.10对流计算值1 602.161 591.06844.48778.76726.714辐射计算值1 608.571 612.83813.48778.59763.15对流计算值1 606.211 599.59842.90783.54722.045辐射计算值1 647.98

11、1 590.50781.72792.25789.14对流计算值1 616.051 590.93817.58787.10705.346辐射计算值779.40881.98756.06763.69683.81对流计算值1 203.161 190.98802.26771.72691.63序号项目123451辐射计算值1 176.16909.004907.352640.145789.88对流计算值734.25734.25734.25734.25734.252辐射计算值1 630.061 600.39955.801847.332739.50对流计算值1 519.421 477.95816.38749.17

12、735.333辐射计算值1 589.461 621.70913.923746.921723.65对流计算值1 598.221 585.18869.99778.04722.484辐射计算值1 632.691 600.99845.519869.661748.61对流计算值1 593.531 609.02870.40808.94699.125辐射计算值1 614.321 602.35869.229839.347671.55对流计算值1 610.411 597.07863.73819.74707.276辐射计算值718.320827.364828.410771.136741.58对流计算值1 190.

13、311 197.55829.74794.68685.27表4 第32根炉管的温度分布K注：a）表 14 最左列表示炉膛轴向的分区序号，第一行表示炉膛径向上的分区序号；b）表 14 由左向右代表炉膛径向上的由内向外，由上到下代表炉膛轴向上由下到上。也应该符合实际情况，即在炉膛入口和出口的温度较低，靠近火焰处的温度较高；c）从径向来看，温度在第三组数据，即回流边界 处突然降低，这与模型推断的情况基本一致。 因为烟 气沿着返向喷口的行程上，不断的与管壁进行对流传 热，使之温度下降。 在回流中心下游，回流烟气与射流 的温差比较小，而流速较高，以对流方式传给炉管的 的热量较多， 适当弥补了射流低温区辐射

14、传热的不 足。 在回流中心上游，回流速度减小，对流传热能力降 低，而与射流的温差却增加了。 当到达喷口附近时，主 射流温度较高，回流温度很低。 所以处于边界处的小 区温度相对于中心处的温度会有较快下降；d）从各组数据综合来看，加上对流传热后，中心 部分的温度相对于辐射传热计算的值要低一些，这是 因为在考虑烟气对流和扰动之后，传热加快，使中心 处的温度有所降低，同样道理，中心处以外的各个小 区的温度就会相应提高，这与理论推断吻合。势。由于国内目前还缺少原油圆筒炉的温度分布和热强度分布的标定数据， 目前研究工作有一定困难， 无法对计算数据进行充分的验证，还需要在今后工作 中进一步完成。 但是从以上

15、部分计算值的对比来看， 计算结果接近实际情况， 说明所选用的模型合理有 效。 参 考 文 献 ：1 钱 家 麟 ，于 遵 宏 ，王 兰 田 ，等. 管 式 加 热 炉 M. 北 京 ：烃 加 工 出 版 社 ，1987，125-145.2 化学工程手册编 辑 委 员 会 . 化 学 工 程 手 册 （第 八 篇 ）M. 北 京 ：化学工业出版社 ，1987，233-252.3 关 昌 凯 . 圆筒型管式加热炉工艺计算程序及 其 应 用 J. 天 然 气 与 石 油 ，1998，16（1）：31-35.4 黄 祖 祺 ， 杨 光 炯 ， 于 遵 宏 ， 等 . 管 式 加 热 炉 的 模 拟 与

16、 计 算M. 北 京 ：化学工业出版社 ，1993，94-113.5 Lobo W E，Evans J E. Heat Transfer in the Radiant Section ofPetroleum HeatersJ. Trans. I. A. Ch. E. ，1984，24（6）：194-205.6 李 玉 柱 ， 贺 五 洲 . 工 程 流 体 力 学 M. 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ，2006，198-213.结论对流传热是加热炉计算的重要部分，在管式加热 炉的计算过程中必不可少，在考虑对流传热后，小区 温度的计算结果有明显不同，并且符合实际的温度趋3序号项目123

17、451辐射计算值1 083.031 067.98901.61913.13825.51对流计算值734.25734.25734.25734.25734.252辐射计算值1 626.461 597.96841.69734.29711.57对流计算值1 488.991 482.16759.90791.98732.203辐射计算值1 646.761 613.79861.23849.53793.14对流计算值1 600.951 589.35798.48800.18729.684辐射计算值1 635.281 596.37926.65835.27801.28对流计算值1 602.291 602.46854.

18、88821.40747.265辐射计算值1 598.171 587.68891.83805.81778.11对流计算值1 609.491 593.86866.32805.37736.396辐射计算值944.73676.12771.20786.60721.56对流计算值1 220.101 203.19844.24781.84715.83KEYWORDS：Waste water treatment；Water quality；Problem analysis；Process improvementCalculation of Convection Heat Transfer in Tubular

19、Heating Furnace Radiation ChamberZhang Jin，Dong Jun （China Petroleum Engineering Co.，Ltd. Southwest Company，Chengdu，Sichuan，610017，China）Guo Xiaoyan （China University of Petroleum，Qingdao，Shandong，266555，China） NGO，2011，29（5）：77-80ABSTRACT：Numerical simulation is conducted on convection heat transfe

20、r in cylindrical tube type furnace radiation chamber. Adopted is a jet flow model to divide the radiation chamber into such three areas as the same quality area，jet flow area and backflow area according to different conditions of smoke movement，adopted are different boundaryconditions for limiting t

21、he areas，mathematically described are the three areas respectively and realized is the calcula-tion process by using VB language programming. Taking a normal pressure furnace for example，simulation calculation is conducted on outer wall temperature of furnace tubes in the radiation chamber and adopt

22、ed is the Monte-Carlo method for radiation heat transfer calculation. Outer wall temperature distribution of furnace tubes calculated throughcomprehensively considering radiation heat transfer and convection heat transfer is compared with that calculated through only considering radiation heat trans

23、fer，the former is more identical with theoretically inferential value. KEYWORDS：Heating furnace；Radiation chamber；Convection heat transfer；Jet flow modelConstruction of Explosion-proof Wall around Oil DepotXu Xiaoqin， Zhang Jichun （Domestic Trade Engineering Design Institute， Beijing， 100069， China）

24、Qin Xuan （Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan， 610500， China） NGO， 2011， 29 （5）：81-84ABSTRACT：It is found during oil depot expansion reconstruction that there is serious nonconformance of safe clearance between railway trunk line and the existing oil depots with relative requirements sp

25、ecified in Regulation on Railway Transportation Safety Protection （Decree No. 430 issued by the State Council of the Peoples Republic ofChina on December 27， 2004） and it is especially imperative to develop some corresponding effective measures in order to ensure railway transportation safety and ne

26、cessary expansion reconstruction of oil depots in both sides of railway trunk lines. Researched are pool fires and explosive steam clouds formerly occurring in a certain oil depottank lorry or oil tank farm and quantitative analysis is conducted on their risks. The analysis results show that fire an

27、d explosive accidents in oil depot tank lorry or oil tank farm will result in serious hazards on local railway trans- portation safety in the absence of any protective measures. Construction of an explosion-proof wall around oil depot can effectively reduce risks of such accidents on railway transpo

28、rtation safety. Calculation results show that a spe- cially structured explosion-proof wall with a horizontal equivalent load of 4t/m2 will have optimum efficacy for rail-way transportation safety protection， which can provide important reference for solving similar issues in future.KEYWORDS：Oil dep

29、ot； Explosion-proof wall； Risk； SolutionCOMPUTER AND COMMUNICATIONTesting on Desktop Safety System LayoutZhou Lin （China Petroleum Engineering Co.，Ltd. Southwest Company，Chengdu，Sichuan，610017，China）He Yuan （Chengdu University，Chengdu，Sichuan，610106，China）Wang Yangyang （China Petroleum University，Be

30、ijing，102200，China） NGO，2011，29（5）：85-87ABSTRACT：Desktop safety system is an important part of enterprise network safety system and its completeness degree is an important basis of its engineering quality and enterprise safety system completeness. Therefore ，testingon interlinkage of computer terminals with enterprise network